DE102009045774B4 - A compact superconducting magnet arrangement with active shielding, wherein the shielding coil is used for field shaping - Google Patents

A compact superconducting magnet arrangement with active shielding, wherein the shielding coil is used for field shaping Download PDF

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Abstract

Aktiv abgeschirmte, supraleitende Magnetanordnung (4; 14; 91) zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes B0 in einem Untersuchungsvolumen (4b), – mit einer rotationssymmetrisch um eine z-Achse angeordneten, radial innenliegenden, supraleitenden Hauptfeldspule (1), – mit einer koaxialen, radial außen liegenden, gegenläufig betriebenen, supraleitenden Abschirmspule (2), – und mit einer ferromagnetischen Feldformvorrichtung (3; 18), wobei die ferromagnetische Feldformvorrichtung (3; 18) radial innerhalb der Hauptfeldspule (1) angeordnet ist, wobei die Hauptfeldspule (1) aus einer unstrukturierten Solenoidspule oder aus mehreren, gleichsinnig betriebenen, radial ineinander gestellten, unstrukturierten Solenoidspulen (15, 16) besteht, wobei die Erstreckung Labs der Abschirmspule (2) in axialer Richtung kleiner ist als die Erstreckung Lhaupt der Hauptfeldspule (1) in axialer Richtung, und wobei das durch die Hauptfeldspule (1) und die Abschirmspule (2) im Betrieb erzeugte axiale Magnetfeldprofil (5) entlang der z-Achse im Zentrum (4a) ein Minimum der Feldstärke, und beidseitig des Zentrums (4a) je ein Maximum der Feldstärke aufweist,...Actively shielded, superconducting magnet arrangement (4; 14; 91) for generating a homogeneous magnetic field B0 in an examination volume (4b), - with a radially inner, superconducting main field coil (1) arranged rotationally symmetrically around a z-axis, - with a coaxial, superconducting shielding coil (2), operated radially on the outside and operated in opposite directions, and with a ferromagnetic field-shaping device (3; 18), the ferromagnetic field-shaping device (3; 18) being arranged radially inside the main field coil (1), the main field coil (1) consists of an unstructured solenoid coil or of several unstructured solenoid coils (15, 16) operated in the same direction and placed radially inside one another, the extent Labs of the shielding coil (2) in the axial direction being smaller than the extent Lhaupt of the main field coil (1) in the axial direction , and wherein the axial magnetic field generated by the main field coil (1) and the shielding coil (2) during operation ofil (5) along the z-axis in the center (4a) has a minimum of the field strength, and on both sides of the center (4a) each has a maximum of the field strength, ...

Description

Die Erfindung betrifft als Zusatzanmeldung eine Weiterentwicklung der in der nachveröffentlichten DE 10 2008 020 107 A1 vorgestellten Erfindung (Basiserfindung).The invention relates as an additional application, a further development of the post-published DE 10 2008 020 107 A1 presented invention (basic invention).

Insbesondere betrifft die Erfindung eine aktiv abgeschirmte, supraleitende Magnetanordnung zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes B0 in einem Untersuchungsvolumen,

  • – mit einer rotationssymmetrisch um eine z-Achse angeordneten, radial innenliegenden, supraleitenden Hauptfeldspule,
  • – mit einer koaxialen, radial außen liegenden, gegenläufig betriebenen, supraleitenden Abschirmspule,
  • – und mit einer ferromagnetischen Feldformvorrichtung, wobei die ferromagnetische Feldformvorrichtung radial innerhalb der Hauptfeldspule angeordnet ist, wobei die Hauptfeldspule aus einer unstrukturierten Solenoidspule oder aus mehreren, gleichsinnig betriebenen, radial ineinander gestellten, unstrukturierten Solenoidspulen besteht, wobei die Erstreckung Labs der Abschirmspule in axialer Richtung kleiner ist als die Erstreckung Lhaupt der Hauptfeldspule in axialer Richtung, und wobei das durch die Hauptfeldspule und die Abschirmspule im Betrieb erzeugte axiale Magnetfeldprofil entlang der z-Achse im Zentrum ein Minimum der Feldstärke, und beidseitig des Zentrums je ein Maximum der Feldstärke aufweist.
In particular, the invention relates to an actively shielded, superconducting magnet arrangement for generating a homogeneous magnetic field B 0 in an examination volume,
  • With a radially inner superconducting main field coil arranged rotationally symmetrically about a z-axis,
  • - With a coaxial, radially outer, counter-rotating, superconducting shielding coil,
  • - And with a ferromagnetic field shaping device, wherein the ferromagnetic field forming device is arranged radially inside the main field coil, wherein the main field coil of an unstructured solenoid coil or from a plurality of co-operated, radially nested, unstructured solenoid coils, wherein the extension L abs of the shielding coil in the axial direction is smaller than the extension L main of the main field coil in the axial direction, and wherein the axial magnetic field profile generated by the main field coil and the Abschirmspule in operation along the z-axis in the center has a minimum of the field strength, and on both sides of the center depending on a maximum field strength.

Eine solche Magnetanordnung ist aus der nachveröffentlichten DE 10 2008 020 107 A1 bekannt.Such a magnet arrangement is from the post-published DE 10 2008 020 107 A1 known.

Die Kernspinresonanz (NMR) ist ein Verfahren zur Untersuchung der Eigenschaften einer Probe. In der NMR-Spektroskopie wird die chemische Zusammensetzung (beziehungsweise werden die chemischen Bindungen) einer Probe analysiert. In der NMR-Tomographie wird in der Regel die Protonendichte (bzw. der Wassergehalt) als Funktion des Ortes in einer größeren Probe (etwa einem Teil des menschlichen Körpers) bestimmt, um Aufschluss über den inneren Aufbau der Probe zu erhalten. Grundprinzip der NMR ist es in beiden Fällen, in eine in einem statischen Magnetfeld angeordneten Probe HF(= Hochfrequenz)-Pulse einzustrahlen, und die HF-Reaktion der Probe zu vermessen. Aus der HF-Reaktion kann auf die Eigenschaften der Probe geschlossen werden. Für die NMR werden im Allgemeinen im besonders starke, homogene statische Magnetfelder bevorzugt, da diese die qualitativ besten Messergebnisse liefern.Nuclear magnetic resonance (NMR) is a method to study the properties of a sample. In NMR spectroscopy, the chemical composition (or the chemical bonds) of a sample is analyzed. In NMR tomography, the proton density (or water content) as a function of the location in a larger sample (about a part of the human body) is usually determined in order to obtain information about the internal structure of the sample. The basic principle of NMR is to irradiate RF (= radio-frequency) pulses into a sample arranged in a static magnetic field in both cases, and to measure the HF reaction of the sample. From the HF reaction can be concluded that the properties of the sample. For NMR are generally preferred in the particularly strong, homogeneous static magnetic fields, as they provide the best quality measurement results.

Hohe Magnetfeldstärken können mit supraleitenden Magnetspulen erzeugt werden, welche in der Regel mit flüssigem Helium in einem Kryostaten auf eine typische Betriebstemperatur von 4,2 K gekühlt werden. Besonders häufig werden dabei solenoidförmige Magnetspulen eingesetzt, die ein kreiszylinderförmiges Untersuchungsvolumen umschließen.High magnetic field strengths can be generated with superconducting magnet coils, which are typically cooled with liquid helium in a cryostat to a typical operating temperature of 4.2K. Solenoid-shaped magnetic coils which enclose a circular-cylindrical examination volume are particularly frequently used.

Um das statische Magnetfeld im Untersuchungsvolumen zu homogenisieren (”shimmen”), ist es zum einen bekannt, ferromagnetisches Material in der Nähe des Untersuchungsvolumens, insbesondere im Inneren der Hauptfeldspule, anzuordnen („passiver Shim”), vgl. beispielsweise DE 101 16 505 A1 . Zum anderen ist es bekannt, zusätzliche Magnetfeldspulen (Shimspulen) vorzusehen, deren Magnetfeld dem Magnetfeld einer Hauptfeldspule überlagert wird („aktiver Shim”). Aus der DE 199 40 694 C1 sind auch supraleitende Shimspulensysteme im Kryostaten bekannt geworden. Sowohl die aktiven als auch die passiven Shimsysteme beruhen darauf, dass die Hauptfeldspule und das Shimsystem zusammen ein homogenes Magnetfeld im Untersuchungsvolumen erzeugen.In order to homogenize ( " shimmer") the static magnetic field in the examination volume, it is firstly known to arrange ferromagnetic material in the vicinity of the examination volume, in particular in the interior of the main field coil ("passive shim"), cf. for example DE 101 16 505 A1 , On the other hand, it is known to provide additional magnetic field coils (shim coils) whose magnetic field is superimposed on the magnetic field of a main field coil ("active shim"). From the DE 199 40 694 C1 Superconducting shim coil systems have also become known in the cryostat. Both the active and the passive shim systems are based on the fact that the main field coil and the shim system together produce a homogeneous magnetic field in the examination volume.

Ein starkes Magnetfeld im Untersuchungsvolumen geht, wenn nicht besondere Vorkehrungen getroffen werden, mit einem merklichen Magnetfeld in der Umgebung einher. Dieses Magnetfeld in der Umgebung wird auch als Streufeld bezeichnet und ist grundsätzlich unerwünscht, da es technische Geräte in der Umgebung stören kann. Streufelder können beispielsweise magnetische Speicher von Festplatten oder Kreditkarten löschen oder den Ausfall von Herzschrittmachern verursachen. Zur Verringerung von Streufeldern ist es insbesondere bekannt, radial außerhalb der Hauptfeldspule eine Abschirmspule vorzusehen, die ein betragsgleiches, aber entgegen gesetzt gerichtetes magnetisches Dipolmoment erzeugt wie die Hauptfeldspule.A strong magnetic field in the examination volume, unless special precautions are taken, is accompanied by a noticeable magnetic field in the environment. This magnetic field in the environment is also referred to as stray field and is generally undesirable because it can interfere with technical devices in the environment. Stray fields, for example, can erase magnetic memory from hard drives or credit cards or cause cardiac pacemaker failure. In order to reduce stray fields, it is known in particular to provide a shielding coil radially outside the main field coil which generates a magnetic dipole moment having the same magnitude but opposite direction as the main field coil.

Die Hauptfeldspule beispielsweise nach dem in der EP 1 564 562 A1 , dortige 1, zitierten Stand der Technik umfasst mehrere axial nebeneinander angeordnete Wicklungen aus Supraleiterdraht und stellt so eine strukturierte Solenoidspule dar. Eine strukturierte Solenoidspule als Hauptfeldspule besitzt den Vorteil, dass sich durch die Art der Strukturierung das Magnetfeld im Untersuchungsvolumen in seinem räumlichen Verlauf relativ einfach gestalten lässt, so dass sich insgesamt, also zusammen mit dem Magnetfeld, welches von der Abschirmspule erzeugt wird, ein homogenes Magnetfeld in dem Untersuchungsvolumen ergibt. Dabei ist der Einfluss der Abschirmspule auf die Homogenität des Magnetfeldes im Untersuchungsvolumen wegen des größeren radialen Abstands zum Untersuchungsvolumen im Vergleich mit der Hauptfeldspule in der Regel relativ gering. Die Wicklungen dieser strukturierten Solenoidspule werden grundsätzlich von einer mechanischen Haltevorrichtung gehalten und befinden sich in der Regel in den Wickelkammern eines Spulenkörpers. Infolge des von den Wicklungen erzeugten Magnetfeldes üben sie starke anziehende Kräfte aufeinander aus, wobei die Wicklungen in axialer Richtung gegen die Haltevorrichtung, in der Regel die seitlichen Begrenzungsflächen der Wickelkammern, gedrückt werden. Insbesondere bei Magnetanordnungen zur Erzeugung besonders starker Magnetfelder von beispielsweise 6 T und mehr können die damit verbundenen Flächenpressungen sehr hohe Werte annehmen.For example, the main field coil after in the EP 1 564 562 A1 , there 1 cited prior art comprises a plurality of axially juxtaposed windings of superconducting wire and thus constitutes a structured solenoid coil. A structured solenoid coil as a main field coil has the advantage that the type of structuring makes the magnetic field in the examination volume relatively simple in its spatial course, so that overall, ie together with the magnetic field generated by the shielding coil, results in a homogeneous magnetic field in the examination volume. In this case, the influence of the shielding coil on the homogeneity of the magnetic field in the examination volume is relatively low in comparison with the main field coil because of the greater radial distance to the examination volume. The windings of this structured solenoid coil are basically held by a mechanical holder and are located usually in the winding chambers of a bobbin. As a result of the magnetic field generated by the windings they exert strong attractive forces on each other, wherein the windings are pressed in the axial direction against the holding device, usually the lateral boundary surfaces of the winding chambers. Particularly in the case of magnet arrangements for generating particularly strong magnetic fields of, for example, 6 T and more, the surface pressures associated therewith can assume very high values.

Ein wesentlicher Nachteil solcher Magnetanordnungen mit strukturierten Hauptfeldspulen besteht darin, dass diese sehr hohen Flächenpressungen mechanische Relaxationsprozesse in den angrenzenden Wicklungen aus Supraleiterdraht verursachen können, wobei diese infolge ihrer bei der niedrigen Betriebstemperatur verschwindend kleinen Wärmekapazität in den normalleitenden Zustand übergehen und einen sogenannten Quench auslösen Ein solches Ereignis ist unerwünscht und teuer, da sich die Magnetspule bei einem Quench von der Betriebstemperatur auf Werte im Bereich 40 bis 80 K erwärmt, das zur Kühlung verwendete, teure flüssige Helium verdampft und verloren geht und die erneute Inbetriebnahme der Magnetanordnung mit Zeitverzögerungen von mehreren Tagen verbunden sein kann.A major disadvantage of such magnet arrangements with structured main field coils is that these very high surface pressures can cause mechanical relaxation processes in the adjacent windings of superconducting wire, which, as a result of their vanishingly small heat capacity at the low operating temperature, change to the normal conducting state and trigger a so-called quench Event is undesirable and expensive, as the solenoid warms up to values in the range of 40 to 80K in a quench from operating temperature, uses expensive liquid helium for cooling, vaporizes and loses, and restarts the magnet assembly with time delays of several days can be.

Aus der DE 101 04 054 C1 ist eine Magnetanordnung mit einer Hauptfeldspule mit strukturierten und unstrukturierten Solenoidspulen bekannt. Danach werden vereinfachte Magnetanordnungen möglich, wenn radial innerhalb der Hauptfeldspule eine Feldformvorrichtung aus magnetischem Material angeordnet wird. Dennoch umfassen die Hauptfeldspulen nach der DE 101 04 054 C1 zumindest teilweise strukturierte Solenoidspulen, damit hinreichend homogene Magnetfelder erzeugt werden können. Vereinfachte Hauptfeldspulen mit Feldformvorrichtungen aus magnetischem Material sind nach der DE 101 04 054 C1 nur möglich, wenn die Feldformvorrichtung zumindest teilweise einen geringen radialen Abstand von weniger als 80 mm von der Magnetachse und deshalb eine hinreichend große Wirksamkeit besitzt. Magnetanordnungen mit größerem nutzbaren Durchmesser von beispielsweise 30 cm und mehr sind mit dieser Einschränkung nicht möglich.From the DE 101 04 054 C1 For example, a magnet arrangement having a main field coil with structured and unstructured solenoid coils is known. Thereafter, simplified magnet arrangements become possible if a field-shaping device made of magnetic material is arranged radially inside the main field coil. Nevertheless, the main field coils after the DE 101 04 054 C1 at least partially structured solenoid coils, so that sufficiently homogeneous magnetic fields can be generated. Simplified main field coils with field forming devices made of magnetic material are according to the DE 101 04 054 C1 only possible if the field shaping device at least partially has a small radial distance of less than 80 mm from the magnetic axis and therefore a sufficiently high efficiency. Magnetic arrangements with a larger usable diameter of, for example, 30 cm and more are not possible with this restriction.

Völlig ohne Sektionen mit strukturierten Solenoidspulen als Hauptfeldspule kommen aktiv abgeschirmte Magnetanordnungen nach der EP 1 564 562 A1 aus. Auch diese Anordnungen umfassen Feldformvorrichtungen aus magnetischem Material radial innerhalb der Hauptfeldspule, jedoch ohne die Einschränkung des geringen radialen Abstandes des Feldformvorrichtung von der Magnetachse. Der Aufbau der Hauptfeldspule völlig ohne strukturierte Solenoidspulen wird möglich durch die Verwendung eines geeignet dimensionierten Magnetkörpers aus magnetischem Material radial außerhalb der Hauptfeldspule. Bei Magnetanordnungen mit einem nutzbaren Durchmesser von beispielsweise 60 cm und mehr wird der Magnetkörper und damit die gesamte Magnetanordnung jedoch sehr schwer, wodurch der Transport teuer und die Möglichkeiten zum Aufstellen der Magnetanordnung wegen der großen Bodenbelastung eingeschränkt werden.Completely without sections with structured solenoid coils as the main field coil, actively shielded magnet assemblies come after EP 1 564 562 A1 out. These arrangements also include field forming devices of magnetic material radially within the main field coil, but without the restriction of the small radial distance of the field forming device from the magnetic axis. The construction of the main field coil completely without structured solenoid coils becomes possible by the use of a suitably sized magnetic body of magnetic material radially outside the main field coil. In magnet arrangements with a useful diameter of, for example, 60 cm and more, however, the magnetic body and thus the entire magnet arrangement becomes very heavy, whereby the transport is expensive and the possibilities for setting up the magnet arrangement are limited because of the large ground load.

Aus der EP 0 332 176 A2 sind Magnetanordnungen bekannt, die eine Hauptfeldspule, eine Abschirmspule, eine radial innerhalb der Hauptfeldspule angeordnete Feldformvorrichtung aus magnetischem Material sowie eine radial außerhalb der Abschirmspule angeordnete Jochmagnetabschirmung aus magnetischem Material umfassen, wobei die axiale Ausdehnung der Abschirmspule dort größer als die axialen Längen der Hauptfeldspule sowie der Jochmagnetabschirmung ist. In diesem Stand der Technik wird vorgeschlagen, die Hauptfeldspule als strukturierte Solenoidspule auszuführen. Eine Magnetanordnung mit hinreichender Homogenität des Magnetfelds B0 im Untersuchungsvolumen ließe sich nach der Lehre der EP 0 332 176 A2 mit einer unstrukturierten Solenoidspule als Hauptfeldspule nicht realisieren, sondern nur mit einer strukturierten Solenoidspule als Hauptfeldspule.From the EP 0 332 176 A2 Magnetic arrangements are known which comprise a main field coil, a shielding coil, a magnetic material field forming device arranged radially inside the main field coil and a magnetic material yoke magnet shield arranged radially outside the shielding coil, wherein the axial extent of the shielding coil is greater than the axial lengths of the main field coil and the main field coil Yoke magnetic shield is. In this prior art it is proposed to design the main field coil as a structured solenoid coil. A magnet arrangement with sufficient homogeneity of the magnetic field B0 in the examination volume could be according to the teaching of EP 0 332 176 A2 with a unstructured solenoid coil as a main field coil not realize, but only with a structured solenoid coil as the main field coil.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine aktiv abgeschirmte, supraleitende Magnetanordnung mit einem homogenen und besonders hohen Magnetfeld B0 im Untersuchungsvolumen zur Verfügung zu stellen, bei der der Aufbau deutlich vereinfacht ist, insbesondere wobei die Hauptfeldspule ausschließlich aus unstrukturierten Solenoidspulen aufgebaut werden kann und die Magnetanordnung insgesamt deutlich kompakter ausgebildet werden kann.The invention is therefore an object of the invention to provide an actively shielded, superconducting magnet assembly with a homogeneous and very high magnetic field B 0 in the examination volume available, in which the structure is significantly simplified, in particular wherein the main field coil can be constructed exclusively of unstructured solenoid coils and the magnet assembly can be made significantly more compact overall.

Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Magnetanordnung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist,

  • – dass die Magnetanordnung aus der Hauptfeldspule, der Abschirmspule, der ferromagnetischen Feldformvorrichtung und einem ferromagnetischen Abschirmkörper besteht, wobei der ferromagnetische Abschirmkörper die Hauptfeldspule und die Abschirmspule radial und axial umschließt,
  • – und dass das durch die ferromagnetische Feldformvorrichtung und den ferromagnetischen Abschirmkörper im Betrieb erzeugte axiale Magnetfeldprofil entlang der z-Achse im Zentrum ein Maximum der Feldstärke und beiderseits des Zentrums je ein Minimum der Feldstärke aufweist.
This object is achieved by a magnet arrangement of the type mentioned, which is characterized
  • The magnet arrangement consists of the main field coil, the shielding coil, the ferromagnetic field shaping device and a ferromagnetic shielding body, the ferromagnetic shielding body enclosing the main field coil and the shielding coil radially and axially,
  • - And that the axial magnetic field profile generated by the ferromagnetic field shaping device and the ferromagnetic shielding body in operation along the z-axis in the center has a maximum of the field strength and on both sides of the center depending on a minimum of the field strength.

Die erfindungsgemäße Magnetanordnung weist einen stark vereinfachten und kompakten Aufbau auf. Insbesondere lasst sich das gekennzeichnete axiale Magnetfeldprofil nur erzeugen, wenn der radiale Abstand der Abschirmspule von der Hauptfeldspule relativ gering ist und auf diese Weise die Abschirmspule wesentlich zum statischen Magnetfeld B0 (das parallel zur z-Achse ausgerichtet ist) im Untersuchungsvolumen beiträgt. The magnet arrangement according to the invention has a greatly simplified and compact construction. In particular, the marked axial magnetic field profile can only be generated if the radial distance of the shielding coil from the main field coil is relatively low and in this way the shielding coil contributes substantially to the static magnetic field B 0 (which is aligned parallel to the z-axis) in the examination volume.

Im Stand der Technik wird das Magnetfeld B0 im Untersuchungsvolumen dadurch homogenisiert, dass die Hauptfeldspule ein Magnetfeld mit in axialer Richtung einem ersten Intensitätsprofil erzeugt, und das (aktive oder passive) Shimsystem ein Magnetfeld mit in axialer Richtung einem zweiten, komplementären Intensitätsprofil erzeugt. Durch die Überlagerung der beiden Profile wird eine über eine große axiale Länge konstante Magnetfeldstärke im Untersuchungsvolumen erreicht. Die Abschirmspule ist im Stand der Technik dabei so weit vom Untersuchungsvolumen entfernt, dass das von ihr erzeugte Magnetfeld keinen merklichen Einfluss auf die Feldhomogenität im Untersuchungsvolumen hat.In the prior art, the magnetic field B 0 in the examination volume is homogenized in that the main field coil generates a magnetic field with a first intensity profile in the axial direction, and the (active or passive) shim system generates a magnetic field with a second, complementary intensity profile in the axial direction. The superimposition of the two profiles achieves a constant magnetic field strength in the examination volume over a large axial length. The shielding coil in the prior art is so far away from the examination volume that the magnetic field generated by it has no significant influence on the field homogeneity in the examination volume.

Im Gegensatz dazu integriert die Erfindung die Abschirmspule in die Homogenisierung des statischen Magnetfelds im Untersuchungsvolumen. Bei der erfindungsgemäßen Magnetanordnung erzeugen die Hauptfeldspule und die Abschirmspule gemeinsam ein Magnetfeld mit in axialer Richtung (z-Richtung) breitem, M-förmigen Intensitätsprofil; dafür wird die Länge der Abschirmspule hinreichend kurz und weiterhin der radiale Abstand der Abschirmspule von der Hauptfeldspule hinreichend klein gewählt. Man beachte, dass die Hauptfeldspule allein lediglich ein im Wesentlichen breites, einhügeliges Intensitätsprofil erzeugen würde. Die ferromagnetische Feldformvorrichtung agiert zusammen mit dem ferromagnetischen Abschirmkörper als passives Shimsystem, und beide zusammen erzeugen im Betrieb einen Magnetfeldbeitrag mit einem W-förmigen Intensitätsprofil, welches dem M-förmigen Intensitätsprofil komplementär ist. Die Überlagerung des breiten, W-förmigen Intensitätsprofils der ferromagnetischen Feldformvorrichtung und des ferromagnetischen Abschirmkörpers mit dem breiten, M-förmigen Intensitätsprofil der Gesamtheit von Hauptfeldspule und Abschirmspule ergibt eine über eine große axiale Länge konstante Magnetfeldintensität im Untersuchungsvolumen. Mit einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung werden im Untersuchungsvolumen typischerweise Feldhomogenitäten von 10–5 oder besser, bevorzugt 10–6 oder besser erreicht.In contrast, the invention integrates the shielding coil in the homogenization of the static magnetic field in the examination volume. In the magnet arrangement according to the invention, the main field coil and the shielding coil together generate a magnetic field with an M-shaped intensity profile which is wide in the axial direction (z-direction); For this, the length of the shielding coil is sufficiently short and furthermore the radial distance of the shielding coil from the main field coil is chosen to be sufficiently small. Note that the main field coil alone would only produce a substantially broad, single-mound intensity profile. The ferromagnetic field forming device, together with the ferromagnetic shielding body, acts as a passive shim system, and both together in operation produce a magnetic field contribution having a W-shaped intensity profile that is complementary to the M-shaped intensity profile. The superimposition of the broad, W-shaped intensity profile of the ferromagnetic field-shaping device and the ferromagnetic shielding body with the broad, M-shaped intensity profile of the entirety of the main field coil and the shielding coil results in a constant magnetic field intensity in the examination volume over a large axial length. With a magnet arrangement according to the invention, field homogeneities of 10 -5 or better, preferably 10 -6 or better, are typically achieved in the examination volume.

Die Abschirmspule kann und muss im erfindungsgemäßen Design radial näher an das Untersuchungsvolumen heranrücken, um im Untersuchungsvolumen eine merkliche Auswirkung auf das Intensitätsprofil des Magnetfelds nehmen zu können. Dadurch wird die Magnetanordnung in radialer Richtung kompakter.In the design according to the invention, the shielding coil can and must move radially closer to the examination volume in order to be able to have a noticeable effect on the intensity profile of the magnetic field in the examination volume. As a result, the magnet arrangement becomes more compact in the radial direction.

Weiterhin kann und muss die axiale Erstreckung Labs der Abschirmspule im erfindungsgemäßen Design kleiner als die axiale Ertsreckung Lhaupt der Hauptfeldspule sein, denn nur so wird auf der Achse das M-förmige Intensitätsprofil erzeugt. Die Abschirmspule hat eine gegensinnige Polung (bzw. einen entgegen gesetzt gerichteten Stromfluss) verglichen mit der Hauptfeldspule. Das breite, M-förmige Intensitätsprofil der Gesamtheit von Hauptfeldspule und Abschirmspule ergibt sich aus einer Abschwächung des breiten, einhügeligen Intensitätsprofils der Hauptfeldspule im axial zentralen Bereich durch das überlagerte Intensitätsprofil der Abschirmspule. Die in axialer Richtung gegenüber der Hauptfeldspule verkürzte Abschirmspule schafft Platz für Versorgungstürme des Kryostaten. Diese können im radial äußeren Bereich axial weiter nach innen gezogen werden als im Stand der Technik.Furthermore, and has the axial extent L abs of the shielding in the inventive design less than the axial Ertsreckung L be all the main field coil, because only then the M-shaped intensity profile is generated on the axle. The shield coil has opposite polarity (or opposite current flow) compared to the main field coil. The broad, M-shaped intensity profile of the entirety of the main field coil and the shielding coil results from an attenuation of the broad, single-sided intensity profile of the main field coil in the axially central region by the superimposed intensity profile of the shielding coil. The shortened in the axial direction relative to the main field coil Abschirmspule makes room for supply towers of the cryostat. These can be pulled axially further inward in the radially outer region than in the prior art.

Der kompakte Aufbau der erfindungsgemäßen Magnetanordnung spart neben Platz, insbesondere bei der Raumhöhe der Magnetanordnung einschließlich Kryostat, auch Material und Gewicht ein. Die erfindungsgemäße Magnetanordnung besteht (soweit es die Erzeugung des statischen Magnetfelds B0 betrifft) nur aus der Hauptfeldspule, der Abschirmspule, der ferromagnetischen Feldformvorrichtung und dem ferromagnetischen Abschirmkörper. Insbesondere sind keine weiteren, mit der Hauptfeldspule in Serie geschalteten Feldformspulen vorgesehen.The compact design of the magnet arrangement according to the invention saves not only space, especially in the room height of the magnet assembly including cryostat, also material and weight. The magnet arrangement according to the invention consists (as far as the generation of the static magnetic field B 0 is concerned) only of the main field coil, the shielding coil, the ferromagnetic field shaping device and the ferromagnetic shielding body. In particular, no further field-shaping coils connected in series with the main field coil are provided.

Das Design in der erfindungsgemäßen Magnetanordnung ist im Allgemeinen so ausgelegt, dass durch die Magnetanordnung allein und ohne Fertigungstoleranzen bereits ein (insbesondere für NMR-Anwendungen, und bevorzugt auch Hochauflösungs-NMR-Anwendungen ausreichend) homogenes B0-Feld im Untersuchungsvolumen erzeugt würde (”theoretisch homogenes Design”). Durch Fertigungstoleranzen bedingte Inhomogenitäten liegen typischerweise im Bereich bis 200 ppm Schwankungsbreite bezüglich des Feldes B0 im Zentrum. Die Inhomogenitäten durch Fertigungstoleranzen können durch übliche Shimmaßnahmen problemlos ausgeglichen werden (etwa justierbare/flexible ferromagnetische Feldformvorrichtungen oder Shimspulen mit von der Hauptfeldspule separatem Stromkreis, üblicherweise betrieben mit deutlich kleineren Stromdichten als die Hauptfeldspule).The design in the magnet assembly according to the invention is generally designed so that a homogeneous (in particular for NMR applications, and preferably also high-resolution NMR applications sufficient) B 0 field in the examination volume generated by the magnet arrangement alone and without manufacturing tolerances (" theoretically homogeneous design "). Inhomogeneities caused by manufacturing tolerances are typically in the range of up to 200 ppm fluctuation range with respect to the field B 0 in the center. The inhomogeneities due to manufacturing tolerances can easily be compensated for by conventional shimming measures (for example adjustable / flexible ferromagnetic field forming devices or shim coils with a circuit separate from the main field coil, usually operated with much smaller current densities than the main field coil).

Darüber hinaus ergibt sich aber auch aus dem vereinfachten Aufbau, der im Wesentlichen nur auf gut exakt zu fertigenden, unstrukturierten Solenoidspulen beruht, eine verbesserte Fertigungstoleranz bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Magnetanordnung. Da keine Spulenstrukturierungen notwendig sind, und auch nur wenige Spulen insgesamt benötig werden, ist auch die Quenchsicherheit erhöht: Die aufgrund von großen Kräften verstärkt quenchgefährdeten axialen Spulenränder sind in der erfindungsgemäßen Magnetanordnung in ihrer Anzahl minimiert.In addition, however, also results from the simplified structure, which is based essentially only on well-to-produce, unstructured solenoid coils, an improved manufacturing tolerance in the production of the magnet assembly according to the invention. Because no coil structuring are necessary, and only a few coils are required in total, the Quenchsicherheit is increased: the increased due to large forces quench endangered axial coil edges are minimized in number in the magnet assembly according to the invention.

Gegenüber der in der nachveröffentlichten DE 10 2008 020 107 A1 vorgestellten Erfindung (im folgenden ”Basiserfindung” genannt) besteht die Magnetanordnung aus der Hauptfeldspule, der Abschirmspule, der ferromagnetischen Feldformvorrichtung und dem ferromagnetischen Abschirmkörper. Dadurch ist die Magnetanordnung etwas komplexer aufgebaut als in der DE 10 2008 020 107 A1 beschrieben, denn zur Magnetanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung gehört zusätzlich noch der äußere ferromagnetische Abschirmkörper.Compared to the post-published DE 10 2008 020 107 A1 According to the invention (hereinafter referred to as the "basic invention"), the magnet arrangement consists of the main field coil, the shielding coil, the ferromagnetic field-shaping device and the ferromagnetic shielding body. As a result, the magnet arrangement is constructed somewhat more complex than in the DE 10 2008 020 107 A1 described, because the magnet assembly according to the present invention additionally includes the outer ferromagnetic shielding.

Der Abschirmkörper verringert das Streufeld der Magnetanordnung. Der Abschirmkörper beeinflusst auch geringfügig den Magnetfeldverlauf im Untersuchungsvolumen. Das von Feldformvorrichtung und Abschirmkörper gemeinsam erzeugte Magnetfeldprofil BF+AK(z) tritt in der vorliegenden Erfindung an die Stelle des von der Feldformvorrichtung allein erzeugten Magnetfeldprofils BF(z) in der Basiserfindung; insbesondere gilt erfindungsgemäß für das durch die ferromagnetische Feldformvorrichtung und den Abschirmkörper im Betrieb erzeugte, gemeinsame axiale Magnetfeldprofil BF+AK(z) entlang der Achse (z-Achse), dass im Zentrum bei z = 0 ein Maximum der Feldstärke und beiderseits des Zentrums je ein Minimum der Feldstärke vorhanden ist.The shielding reduces the stray field of the magnet assembly. The shielding body also slightly influences the magnetic field profile in the examination volume. In the present invention, the magnetic field profile B F + AK (z) generated by the field shaping device and the shielding body takes the place of the magnetic field profile B F (z) generated by the field shaping device alone in the basic invention; In particular, according to the invention for the generated by the ferromagnetic field shaping device and the shielding body in operation, common axial magnetic field profile B F + AK (z) along the axis (z-axis) that in the center at z = 0, a maximum of the field strength and on both sides of the center a minimum of field strength is available.

Typischerweise ist der Anteil BAK(z) des Abschirmkörpers am gemeinsamen Feldprofil BF+AK(z) in der vorliegenden Erfindung weniger als 10% an jeder Stelle des Untersuchungsvolumens. Andererseits ist typischerweise der Anteil BAK(z) des Abschirmkörpers am gemeinsamen Feldprofil BF+AK(z) zumindest an einigen Stellen des Untersuchungsvolumens mehr als 1%.Typically, the proportion B AK (z) of the shielding body at the common field profile B F + AK (z) in the present invention is less than 10% at each point of the examination volume. On the other hand, typically the proportion B AK (z) of the screening body at the common field profile B F + AK (z) is more than 1% at least at some points of the examination volume.

Der Abschirmkörper ist typischerweise aus weichmagnetischem Material wie Stahl gefertigt. Der Abschirmkörper umschließt bevorzugt auch noch die Feldformvorrichtung sowohl in axialer als auch in radialer Richtung.The shielding body is typically made of soft magnetic material such as steel. The shielding body preferably also encloses the field-shaping device both in the axial and in the radial direction.

Bevorzugte Ausführungsformen der ErfindungPreferred embodiments of the invention

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung besteht auch die Abschirmspule aus einer unstrukturierten Solenoidspule. Dadurch wird der Aufbau der erfindungsgemäßen Magnetanordnung besonders einfach. Bevorzugt besteht auch die Hauptfeldspule aus lediglich einer unstrukturierten Solenoidspule. Die gesamte Magnetanordnung mit den drei Funktionen

  • – Erzeugung starker Magnetfelder,
  • – großes Untersuchungsvolumen mit großer Feldhomogenität, und
  • – geringe Ausdehnung des Streufeldes, besteht damit lediglich aus einer unstrukturierten Solenoidspule als Hauptfeldspule und einer unstrukturierten Solenoidspule als Abschirmspule sowie der ferromagnetischen Feldformvorrichtung und dem ferromagnetischen Abschirmkörper. Eine Magnetanordnung mit lediglich zwei unstrukturierten Solenoidspulen als einzigen supraleitenden Komponenten ist nicht mehr einfacher vorstellbar. Alternativ ist es möglich, die Abschirmspule aus mehreren, gleichsinnig betriebenen, radial ineinander gestellten, unstrukturierten Solenoidspulen aufzubauen, was ebenfalls einen relativ einfachen Aufbau darstellt. Weiterhin alternativ ist es erfindungsgemäß auch möglich, abweichend von dieser besonders einfachen Ausführungsform strukturierte Solenoidspulen als Abschirmspulen vorzusehen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Abschirmspule einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung aus zwei, zum Zentrum des Untersuchungsvolumens spiegelsymmetrisch angeordneten, unstrukturierten Solenoidspulen besteht, wobei für den axialen Abstand Lsep dieser Solenoidspulen gilt: Lsep < 0,15·Labs. Man beachte, dass die beiden unstrukturierten Solenoidspulen auch als zwei getrennte Wicklungen einer strukturierten Solenoidspule aufgefasst werden können. In diesem Beispiel ist die Abschirmspule zweigeteilt. Insbesondere bei in axialer Richtung sehr kurzen Abschirmspulen kann so ein zu starker Abfall des statischen Magnetfelds im Zentrum des Untersuchungsvolumens vermieden werden.
In a particularly preferred embodiment of the magnet arrangement according to the invention, the shielding coil also consists of an unstructured solenoid coil. Thereby, the structure of the magnet arrangement according to the invention is particularly simple. Preferably, the main field coil consists of only one unstructured solenoid coil. The entire magnet arrangement with the three functions
  • - generation of strong magnetic fields,
  • - large examination volume with great field homogeneity, and
  • - Small extent of the stray field, thus consists only of an unstructured solenoid coil as the main field coil and an unstructured solenoid coil as Abschirmspule and the ferromagnetic field forming device and the ferromagnetic shielding. A magnet arrangement with only two unstructured solenoid coils as the only superconducting components is no longer easier to imagine. Alternatively, it is possible to construct the shielding coil from a plurality of unidirectional solenoid coils operated in the same direction and arranged radially one inside the other, which also represents a relatively simple construction. As an alternative, according to the invention it is also possible, unlike this particularly simple embodiment, to provide structured solenoid coils as shielding coils. For example, it can be provided that the shielding coil of a magnet arrangement according to the invention consists of two unstructured solenoid coils arranged mirror-symmetrically with respect to the center of the examination volume, the axial distance L sep of these solenoid coils being: L sep <0.15 · L abs . Note that the two unstructured solenoid coils can also be considered as two separate windings of a structured solenoid coil. In this example, the shielding coil is divided into two parts. In particular, in the case of very short shielding coils in the axial direction, an excessive drop in the static magnetic field in the center of the examination volume can thus be avoided.

Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der für den axialen Abstand Lmax der Maxima der Feldstärke des durch die Hauptfeldspule und die Abschirmspule erzeugten Magnetfeldprofils und den Innenradius Rif der Feldformvorrichtung gilt: Lmax > 0,5·Rif. Mit dieser Dimensionierung kann ein besonders weit ausgedehntes, homogenes statisches Magnetfeld erreicht werden.Also preferred is an embodiment in which for the axial distance L max of the field strength of the magnetic field profile generated by the main field coil and the Abschirmspule and the inner radius R if the field shaping device applies: L max > 0.5 · R if . With this dimensioning, a particularly widespread, homogeneous static magnetic field can be achieved.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung ist vorgesehen, dass die Feldstärke Bmax der Maxima des durch die Hauptfeldspule und die Abschirmspule erzeugten Magnetfeldprofils um zwischen 10 ppm und 10.000 ppm, vorzugsweise um zwischen 100 ppm und 5000 ppm, größer ist als die Feldstärke Bmin des zentralen Minimums dieses Magnetfeldprofils. Bei diesen relativen Größen der Maxima ist der homogenisierende Effekt der Überlagerung der Feldprofile von Haupt- und Abschirmspule einerseits und der ferromagnetischen Feldformvorrichtung andererseits besonders ausgeprägt.In a preferred embodiment of the magnet arrangement according to the invention it is provided that the field strength B max of the maximum of the magnetic field profile generated by the main field coil and the Abschirmspule by between 10 ppm and 10,000 ppm, preferably by between 100 ppm and 5000 ppm, greater than the field strength B min the central minimum of this magnetic field profile. In these relative sizes of the maxima of the homogenizing effect of the superimposition of the field profiles of the main and shielding coil on the one hand and the ferromagnetic field shaping device on the other hand particularly pronounced.

Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der die Hauptfeldspule und die Abschirmspule elektrisch in Serie geschaltet sind. Hauptfeldspule und Abschirmspule werden dann vom gleichen Strom durchflossen. Dies erleichtert die Justage und vereinfacht das Laden der Magnetanordnung.Furthermore, an embodiment is preferred in which the main field coil and the shielding coil are electrically connected in series. Main field coil and shielding coil are then traversed by the same current. This facilitates the adjustment and simplifies the loading of the magnet assembly.

Eine bevorzugte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass ein supraleitender Schalter zum Kurzschluss des durch die Hauptfeldspule und die Abschirmspule gebildeten Stromkreises vorgesehen ist. Damit kann die Magnetanordnung im „persistent mode” (Dauerbetrieb ohne Spannungsquelle) betrieben werden.A preferred development of this embodiment provides that a superconducting switch is provided for short-circuiting the circuit formed by the main field coil and the shielding coil. Thus, the magnet arrangement can be operated in "persistent mode" (continuous operation without voltage source).

Besonders bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der gilt:
Labs ≤ 0,85 Lhaupt,
und bevorzugt Labs ≤ 0,65 Lhaupt. Diese Längenverhältnisse haben sich in der Praxis bezüglich der Ausprägung des M-förmigen Magnetfeldprofils als besonders geeignet erwiesen. Zusätzlich wird die Magnetanordnung in axialer Richtung besonders kompakt.Particularly preferred is also an embodiment in which:
L abs ≤ 0.85 L main ,
and preferably L abs ≤ 0.65 L main . These aspect ratios have proven to be particularly suitable in practice with respect to the expression of the M-shaped magnetic field profile. In addition, the magnet arrangement becomes particularly compact in the axial direction.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Magnetanordnung ausgelegt für die Erzeugung des homogenen Magnetfelds im Untersuchungsvolumen mit einer Feldstärke Bges ≥ 6 Tesla. Bei diesen Feldstärken – und den entsprechend großen erforderlichen Magnetspulen – kommen die Vorteile der Erfindung bezüglich des kompakten Aufbaus besonders gut zur Geltung.In an advantageous embodiment, the magnet arrangement is designed for generating the homogeneous magnetic field in the examination volume with a field strength B ges ≥ 6 Tesla. At these field strengths - and the correspondingly large required magnetic coils - the advantages of the invention with respect to the compact structure are particularly well advantage.

Ebenso vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der gilt:
Rif ≥ 80 mm,
und bevorzugt Rif ≥ 300 mm. Bei diesen Dimensionen des Innenradius der Feldformvorrichtung kommen wiederum die Vorteile der Erfindung bezüglich des kompakten Aufbaus besonders zur Geltung. Man beachte, dass das Untersuchungsvolumen sich typischerweise in einem Bereich einer axialen Länge von wenigstens 30% von Rif, und in einem Bereich einer radialen Länge von wenigstens 30% von Rif erstreckt.Also advantageous is an embodiment in which:
Rif ≥ 80 mm,
and preferably R if ≥ 300 mm. With these dimensions of the inner radius of the field shaping device, in turn, the advantages of the invention with respect to the compact construction come into their own. Note that the sample volume typically extends in a range of at least 30% axial length of R if , and in a range of at least 30% radial length of R if .

Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der für den Innenradius Rihaupt der Hauptfeldspule und den Innenradius Riabs der Abschirmspule gilt:
Riabs ≤ 2,2·Rihaupt, und bevorzugt Riabs ≤ 2,0·Rihaupt. Diese Radienverhältnisse haben sich in der Praxis zur Einstellung des M-förmigen Magnetfeldprofils, bewährt. Insbesondere ist der Einfluss der Abschirmspule auf das Magnetfeldprofil im Bereich der z-Achse dann in der Regel ausreichend stark.Also preferred is an embodiment in which the inner radius R ihaupt of the main field coil and the inner radius R iabs of the shielding coil are :
R iabs ≦ 2.2 · R ihaupt , and preferably R iabs ≦ 2.0 · R ihaupt . These radii ratios have been proven in practice to adjust the M-shaped magnetic field profile. In particular, the influence of the shielding coil on the magnetic field profile in the region of the z-axis is then generally sufficiently strong.

Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Feldformvorrichtung zusammen mit der Hauptfeldspule und der Abschirmspule innerhalb eines Kryostaten angeordnet ist. In diesem Fall wird das ferromagnetische Material der Feldformvorrichtung mitgekühlt.An embodiment provides that the field shaping device is arranged together with the main field coil and the shielding coil within a cryostat. In this case, the ferromagnetic material of the field shaping device is also cooled.

Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass die Feldformvorrichtung in einer Raumtemperaturbohrung eines Kryostaten angeordnet ist, in welchem die Hauptfeldspule und die Abschirmspule angeordnet sind. In diesem Fall kann die raumtemperaturwarme und leicht zugängliche Feldformvorrichtung bei Bedarf leicht nachjustiert werden, etwa durch Verschieben oder Ergänzen von Eisenplättchen.An alternative embodiment provides that the field shaping device is arranged in a room temperature bore of a cryostat, in which the main field coil and the shielding coil are arranged. In this case, the space temperature-warm and easily accessible field shaping device can be easily readjusted if necessary, for example by moving or supplementing iron platelets.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung, bei der die Feldformvorrichtung teilweise in einer Raumtemperaturbohrung eines Kryostaten und teilweise innerhalb des Kryostaten angeordnet ist, wobei im Kryostaten auch die Hauptfeldspule und die Abschirmspule angeordnet sind. Dadurch kann ein Teil der ferromagnetischen Feldformvorrichtung gekühlt werden, und ein anderer Teil bleibt insbesondere für Justagezwecke leicht zugänglich und auf Raumtemperatur.Preferred is an embodiment of the magnet arrangement according to the invention, in which the field shaping device is arranged partly in a room temperature bore of a cryostat and partly inside the cryostat, the main field coil and the shield coil being arranged in the cryostat. Thereby, a part of the ferromagnetic field-shaping device can be cooled, and another part remains easily accessible, in particular for adjustment purposes, and at room temperature.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die Feldformvorrichtung zusätzlich eingerichtet zum Ausgleichen von Feldinhomogenitäten, die durch Fertigungstoleranzen der Hauptfeldspule und/oder der Abschirmspule und/oder des Abschirmkörpers entstehen. Dazu wird das gemeinsame Feldprofil von Hauptfeldspule, Abschirmspule und ferromagnetischem Abschirmkörper nach deren Herstellung und Montage vermessen, und erst dann wird die Feldformvorrichtung unter Berücksichtigung der Messergebnisse erstellt und montiert. Dadurch kann eine verbesserte Feldhomogenität im Untersuchungsvolumen erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich ist auch ein elektrisches Shimsystem (insbesondere normalleitend und mit einem von der Hauptfeldspule unabhängigen Stromkreis) möglich, welches zum Ausgleich von Feldinhomogenitäten, die durch Fertigungstoleranzen der Magnetanordnung entstehen, eingesetzt wird. Der Beitrag von elektrischen Shimsystemen ist im Untersuchungsvolumen an jedem Ort typischerweise 200 ppm oder weniger bezogen auf B0 im Zentrum.In an advantageous development of this embodiment, the field-shaping device is additionally set up to compensate for field inhomogeneities that arise as a result of manufacturing tolerances of the main field coil and / or the shielding coil and / or the shielding body. For this purpose, the common field profile of main field coil, shielding coil and ferromagnetic shielding body is measured after their production and assembly, and only then the field shaping device is created and mounted taking into account the measurement results. As a result, improved field homogeneity in the examination volume can be achieved. Alternatively or additionally, an electrical shimming system (in particular normally conducting and with a circuit independent of the main field coil) is possible, which is used to compensate for field inhomogeneities which are caused by manufacturing tolerances of the magnet arrangement. The contribution of electrical Shimsystemen is in the examination volume at each location typically 200 ppm or less relative to B 0 in the center.

Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der der ferromagnetische Abschirmkörper durch eine äußere Wand eines Kryostaten ausgebildet ist, in welchem wenigstens die Hauptfeldspule und die Abschirmspule angeordnet sind. Dadurch wird die Kryostatenwand mehrfunktional genutzt.Also preferred is an embodiment in which the ferromagnetic shielding body is formed by an outer wall of a cryostat in which at least the main field coil and the shielding coil are arranged. As a result, the cryostat wall is used multifunctional.

In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Magnetresonanztomograph mit einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung. Ein erfindungsgemäßer NMR-Tomograph ist besonders kompakt ausgebildet.The scope of the present invention also includes a magnetic resonance tomograph with a magnet arrangement according to the invention. One Inventive NMR tomograph is particularly compact.

Ebenfalls in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt ein Kernspinresonanzspektrometer mit einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung. Ein erfindungsgemäßes NMR-Spektrometer ist ebenfalls besonders kompakt.Also within the scope of the present invention is a nuclear magnetic resonance spectrometer with a magnet arrangement according to the invention. An inventive NMR spectrometer is also particularly compact.

Schließlich fällt auch in den Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Ionen-Zyklotron-Resonanz-Massenspektrometer mit einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung. Auch das erfindungsgemäße ICR-Spektrometer ist besonders kompakt.Finally, within the scope of the present invention, an ion cyclotron resonance mass spectrometer with a magnet arrangement according to the invention. The ICR spectrometer according to the invention is also particularly compact.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages of the invention will become apparent from the description and the drawings. Likewise, according to the invention, the above-mentioned features and those which are still further developed can each be used individually for themselves or for a plurality of combinations of any kind. The embodiments shown and described are not to be understood as exhaustive enumeration, but rather have exemplary character for the description of the invention.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und ZeichnungDetailed description of the invention and drawing

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated in the drawing and will be explained in more detail with reference to embodiments. Show it:

1 eine schematische, jedoch maßstäbliche Darstellung des Querschnitts einer Ausführungsform einer Magnetanordnung gemäß der Basiserfindung, mit einer unstrukturierten Solenoidspule als Hauptfeldspule und einer unstrukturierten Solenoidspule als Abschirmspule und einer ferromagnetischen Feldformvorrichtung; 1 a schematic, but to scale representation of the cross section of an embodiment of a magnet assembly according to the basic invention, with an unstructured solenoid coil as a main field coil and a non-structured solenoid coil as a shielding coil and a ferromagnetic field forming device;

2 den Verlauf des von der Hauptfeldspule und der Abschirmspule der Magnetanordnung nach 1 erzeugten axialen Magnetfeldprofils; 2 the course of the of the main field coil and the shield of the magnet assembly according to 1 generated axial magnetic field profile;

3 den Verlauf des von der ferromagnetischen Feldformvorrichtung der Magnetanordnung nach 1 erzeugten axialen Magnetfeldprofils; 3 the course of the of the ferromagnetic field shaping device of the magnet assembly according to 1 generated axial magnetic field profile;

4 den Verlauf des von der Hauptfeldspule und der Abschirmspule und der ferromagnetischen Feldformvorrichtung der Magnetanordnung nach 1 erzeugten axialen Magnetfeldprofils; 4 the course of the of the main field coil and the Abschirmspule and the ferromagnetic field shaping device of the magnet assembly according to 1 generated axial magnetic field profile;

5 die Konturlinie r(z) um das Zentrum des Untersuchungsvolumens im geometrischen Zentrum der Magnetanordnung nach 1 innerhalb derer die relative Abweichung der Magnetfeldstärke von der Magnetfeldstärke im Zentrum des Untersuchungsvolumens kleiner ist als +/–2,5 ppm (ppm: parts per million); 5 the contour line r (z) around the center of the examination volume in the geometric center of the magnet arrangement 1 within which the relative deviation of the magnetic field strength from the magnetic field strength in the center of the examination volume is less than +/- 2.5 ppm (ppm: parts per million);

6 Streufeldlinien r(z) um die Magnetanordnung herum, bei denen das Streufeld definierte Werte annimmt, die zwischen 0,1 T und 0,0005 T liegen; 6 Stray field lines r (z) around the magnet assembly where the stray field assumes defined values between 0.1 T and 0.0005 T;

7 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Magnetanordnung gemäß der Basiserfindung, mit mehreren geschachtelten, unstrukturierten Solenoidspulen als Hauptfeldspule und einer zweiteiligen Abschirmspule mit zwei unstrukturierten, symmetrisch angeordneten Solenoidspulen; 7 a schematic representation of an embodiment of a magnet arrangement according to the basic invention, with a plurality of nested, unstructured solenoid coils as a main field coil and a two-part shielding coil with two unstructured, symmetrically arranged solenoid coils;

8 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung, mit mehreren geschachtelten, unstrukturierten Solenoidspulen als Hauptfeldspule und einer zweiteiligen Abschirmspule mit zwei unstrukturierten, symmetrisch angeordneten Solenoidspulen sowie einem ferromagnetischen Abschirmkörper. 8th a schematic representation of an embodiment of a magnet arrangement according to the invention, with a plurality of nested, unstructured solenoid coils as a main field coil and a two-part shielding coil with two unstructured, symmetrically arranged solenoid coils and a ferromagnetic shielding.

Die 1 bis 7 illustrieren die Basiserfindung der DE 10 2008 020 107 A1 , die durch die vorliegende Erfindung weiterentwickelt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung hat eine erfindungsgemäße Magnetanordnung als weiteren Bestandteil einen äußeren ferromagnetischen Abschirmkörper; im Rahmen der vorliegenden Erfindung tritt das von ferromagnetischer Feldformvorrichtung und ferromagnetischem Abschirmkörper gemeinsam erzeugte Feldprofil BF+AK(z) an die Stelle des in der Basiserfindung von der ferromagnetischen Feldformvorrichtung erzeugten Feldprofils BF(z), bzw. die Feldformvorrichtung und der Abschirmkörper treten an die Stelle der Feldformvorrichtung der Basiserfindung.The 1 to 7 illustrate the basic invention of DE 10 2008 020 107 A1 , which is further developed by the present invention. According to the present invention, a magnet assembly according to the invention has as an additional component an outer ferromagnetic shielding body; In the context of the present invention, the field profile B F + AK (z) generated jointly by the ferromagnetic field-shaping device and ferromagnetic shielding body takes the place of the field profile B F (z) generated in the basic invention by the ferromagnetic field-shaping device, or the field shaping device and the shielding body in place of the field shaping device of the basic invention.

1 zeigt beispielhaft eine erste Ausführungsform einer Magnetanordnung gemäß der Basiserfindung in einer maßstäblichen Querschnitts-Schemadarstellung. Die Magnetanordnung 4 besteht aus einer Hauptfeldspule 1, einer Abschirmspule 2 und einer ferromagnetischen Feldformvorrichtung 3. Weitere Mittel zur Magnetfelderzeugung sind nicht vorgesehen. Die Magnetanordnung 4 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich der in z-Richtung verlaufenden, strichpunktiert eingezeichneten Achse ausgebildet. 1 shows by way of example a first embodiment of a magnet assembly according to the basic invention in a scale cross-sectional schematic representation. The magnet arrangement 4 consists of a main field coil 1 , a shielding coil 2 and a ferromagnetic field shaping device 3 , Further means for magnetic field generation are not provided. The magnet arrangement 4 is substantially rotationally symmetrical with respect to the running in the z-direction, dash-dotted axis drawn formed.

Die Magnetanordnung 4 erzeugt in einem Untersuchungsvolumen 4b um ihr Zentrum 4a (bei z = 0, r = 0) ein in z-Richtung gerichtetes, homogenes Magnetfeld 60, welches im Zentrum 4a eine Stärke von 7,055 T aufweist.The magnet arrangement 4 generated in a study volume 4b around her center 4a (at z = 0, r = 0) a directed in the z-direction, homogeneous magnetic field 60 which is in the center 4a has a strength of 7,055 T.

Die Hauptfeldspule 1 ist eine unstrukturierte Solenoidspule mit einem Innenradius Rihaupt von 0,216 m, einem Außendurchmesser von 0,253 m und einer Länge Lhaupt von 0,96 m. Die mittlere Stromdichte dieser Spule beträgt 230,2 A/mm2. Die Abschirmspule 2 ist ebenfalls eine unstrukturierte Solenoidspule mit einem Innendurchmesser Riabs von 0,407 m, einem Außendurchmesser von 0,424 m und einer Länge Labs von 0,59 m. Die mittlere Stromdichte ist zu der Stromdichte in der Hauptfeldspule 1 entgegengesetzt gerichtet und beträgt –274,0476 A/mm2. Für die Länge der Abschirmspule gilt hier: Labs = 0,614 Lhaupt und ist damit kleiner als 0,65 Lhaupt und stellt so eine bevorzugte Ausführungsform dar. Die Hauptfeldspule 1 und die Abschirmspule 2 sind elektrisch miteinander in Serie geschaltet, wobei die Stromrichtungen in den beiden Spulen gegensinnig sind, so dass sich die magnetischen Dipolmomente der beiden Spulen aufheben, um das Streufeld zu minimieren.The main field coil 1 is an unstructured solenoid coil with an inner radius R of 0.216 m, an outer diameter of 0.253 m and a length L main of 0.96 m. The average current density of this coil is 230.2 A / mm 2 . The shielding coil 2 is also an unstructured solenoid coil having an inner diameter R iabs of 0.407 m, an outer diameter of 0.424 m and a length L abs of 0.59 m. The average current density is the current density in the main field coil 1 oppositely directed and amounts to -274.0476 A / mm 2 . For the length of the shielding coil applies here: L abs = 0.614 L main and is therefore less than 0.65 L main and thus represents a preferred embodiment. The main field coil 1 and the shielding coil 2 are electrically connected in series with each other, with the current directions in the two coils being in opposite directions, so that the magnetic dipole moments of the two coils cancel each other to minimize stray field.

Die Magnetanordnung umfasst außerdem die ferromagnetische Feldformvorrichtung 3, die hier aus neun Ringen aus Eisen oder einer Eisenlegierung (”Eisenringe”) besteht. Alle Eisenringe besitzen hier denselben äußeren Radius von 0,205 m. Die Innenradien sind unterschiedlich und so gewählt, dass sich ein großes Untersuchungsvolumen mit hoher Feldhomogenität ergibt. Der kleinste Innenradius Rif der Feldformvorrichtung 3 beträgt 0,1894 m, und stellt den Innenradius der gesamten Magnetanordnung 4 dar. In radialer Richtung besitzt die Feldformvorrichtung 3 damit eine maximale Ausdehnung (Wandstärke) von 0,0156 m. Die Eisenringe sind durch das von der Hauptfeldspule 1 und die Abschirmspule 2 erzeugte starke Magnetfeld von etwa 7 T auf ihre Sättigungsmagnetisierung in axialer Richtung aufmagnetisiert, wobei die Sättigungsmagnetisierung hier 2,2 T beträgt.The magnet assembly also includes the ferromagnetic field forming device 3 , which here consists of nine rings of iron or an iron alloy ("iron rings"). All iron rings here have the same outer radius of 0.205 m. The inner radii are different and chosen so that there is a large examination volume with high field homogeneity. The smallest inner radius R if of the field shaping device 3 is 0.1894 m, and represents the inner radius of the entire magnet assembly 4 In the radial direction has the field shaping device 3 thus a maximum extent (wall thickness) of 0,0156 m. The iron rings are through that of the main field coil 1 and the shielding coil 2 generated strong magnetic field of about 7 T magnetized to their saturation magnetization in the axial direction, wherein the saturation magnetization is 2.2 T here.

Sowohl die Hauptfeldspule 1 als auch die Abschirmspule 2 bestehen hier aus kommerziellem Supraleiterdraht auf der Basis einer Niob Titan Legierung, welcher in die jeweils einzige Wickelkammer (nicht gezeigt) zweier Tragekörper gewickelt ist. Die Feldformvorrichtung 3 ist hier an der radialen Innenseite des Tragekörpers der Hauptfeldspule 1 befestigt und besitzt, ebenso wie die Hauptfeldspule 1 und die Abschirmspule 2, bei Betriebsbedingungen eine Temperatur von 4,2 K.Both the main field coil 1 as well as the shielding coil 2 here consist of commercial superconducting wire on the basis of a niobium titanium alloy, which is wound in the respective single winding chamber (not shown) of two support body. The field shaping device 3 is here at the radial inside of the support body of the main field coil 1 attached and owns, as well as the main field coil 1 and the shielding coil 2 , at operating conditions a temperature of 4.2 K.

Die auf eine Betriebstemperatur von 4,2 K gekühlte Magnetanordnung 4 befindet sich in einem Kryostaten (nicht gezeigt), welcher die Magnetanordnung umschließt und eine gesamte Länge von 1,3 m, einen Außendurchmesser von etwa 1,2 m und eine Bohrung mit einem Innendurchmesser von 0,33 m besitzt, welche das Untersuchungsvolumen 4b in ihrem Zentrum umschließt.The cooled to an operating temperature of 4.2 K magnet assembly 4 is located in a cryostat (not shown) which encloses the magnet assembly and has a total length of 1.3 m, an outer diameter of about 1.2 m and a bore with an inner diameter of 0.33 m, which is the volume under investigation 4b encloses in its center.

Das in 2 gezeigte, von der Hauptfeldspule 1 und der Abschirmspule 2 erzeugte axiale Magnetfeldprofil 5 ist M-förmig mit einem lokalen Minimum im Zentrum (bei z = 0) umgeben von zwei lokalen Maxima, wobei die Maxima einen Abstand Lmax = 0,28 m voneinander besitzen. Damit beträgt Lmax = 1,478 Rif und ist damit größer als 0,5 Rif, was einer bevorzugten Ausführungsform entspricht. Die Maxima des axialen Magnetfeldprofils liegen mit einem Wert von Bmax = 7,082 T um 0,0247 T entsprechend 3488 ppm über dem Minimum des Magnetfeldprofils von Bmin = 7,0573 T, was ebenfalls einer bevorzugten Ausführungsform entspricht. Beide bevorzugte Ausführungsformen bewirken, dass die radiale Ausdehnung der Feldformvorrichtung 3 von hier 0,0156 m gering bleibt und die gesamte Magnetanordnung 4 dennoch ein besonders großes Untersuchungsvolumen mit hoher Homogenität erzeugt.This in 2 shown, from the main field coil 1 and the shielding coil 2 generated axial magnetic field profile 5 is M-shaped with a local minimum in the center (at z = 0) surrounded by two local maxima, the maxima having a distance L max = 0.28 m from each other. Thus, L max = 1.478 R if and is therefore greater than 0.5 R if , which corresponds to a preferred embodiment. The maxima of the axial magnetic field profile lie at a value of B max = 7,082 T by 0.0247 T corresponding to 3488 ppm above the minimum of the magnetic field profile of B min = 7.0573 T, which also corresponds to a preferred embodiment. Both preferred embodiments cause the radial extent of the field shaping device 3 from here 0.0156 m remains low and the entire magnet arrangement 4 nevertheless produced a particularly large examination volume with high homogeneity.

3 zeigt das entsprechende W-förmige axiale Magnetfeldprofil 6 der Feldformvorrichtung 3. Es besitzt ein lokales Maximum von –0,002 T im Zentrum umgeben von zwei lokalen Minima von –0,03 T. Der Abstand Lmin der Minima voneinander beträgt hier 0,32 m. 3 shows the corresponding W-shaped axial magnetic field profile 6 the field shaping device 3 , It has a local maximum of -0.002 T in the center surrounded by two local minima of -0.03 T. The distance L min of the minima from each other here is 0.32 m.

Man beachte, dass im Rahmen der Erfindung typischerweise gilt:
Lmin ≤ Labs und Lmax ≤ Labs.Note that within the scope of the invention, the following typically applies:
L min ≦ L abs and L max ≦ L abs .

Die beiden axialen Magnetfeldprofile 5 und 6 überlagern sich zu dem in 4 gezeigten axialen Magnetfeldprofil 7 der gesamten Magnetanordnung 4, welches in einem etwa 0,2 m langen Bereich um das Zentrum z = 0 eine sehr große Konstanz aufweist. Die relative Variation der Magnetfeldstärke in diesem Bereich ist hier kleiner als 2,5 ppm.The two axial magnetic field profiles 5 and 6 overlay to the in 4 shown axial magnetic field profile 7 the entire magnet arrangement 4 , which has a very large constancy in an approximately 0.2 m long area around the center z = 0. The relative variation of the magnetic field strength in this range is less than 2.5 ppm.

Die räumliche Ausdehnung des Bereiches mit hoher Homogenität in radialer Richtung ist in 5 veranschaulicht. Die Linie 8 gibt zu jeder axialen Position z die radiale Position r an, bei der die relative Abweichung der Magnetfeldstärke B0 von der Magnetfeldstärke im Zentrum geringer ist als +/–2,5 ppm. Ersichtlich ist also die Variation der Magnetfeldstärke innerhalb eines kugelförmigem Volumens mit 20 cm Durchmesser kleiner als +/–2,5 ppm. Ein kugelförmiges Volumen einem Radius von 10 cm um das Zentrum bei z = 0 kann daher als Untersuchungsvolumen genutzt werden.The spatial extent of the area with high homogeneity in the radial direction is in 5 illustrated. The line 8th indicates, at each axial position z, the radial position r at which the relative deviation of the magnetic field strength B0 from the magnetic field strength in the center is less than +/- 2.5 ppm. It can be seen that the variation of the magnetic field strength within a spherical volume with a diameter of 20 cm is smaller than +/- 2.5 ppm. A spherical volume with a radius of 10 cm around the center at z = 0 can therefore be used as the examination volume.

6 zeigt einen Quadranten der Magnetanordnung 4 sowie die umgebenden Linien 9–13 konstanter Stärke des magnetischen Streufeldes von 0,0005 T (Linie 9), 0,001 T (Linie 10), 0,005 T (Linie 11), 0,01 T (Linie 12) und 0,1 T (Linie 13), dessen geringe räumliche Ausdehnung ein weiterer Vorzug der Magnetanordnung 4 ist. Der detaillierte Verlauf dieser Linien 9–13 lässt sich durch geringfügige Abweichungen der radialen und axialen Abmessungen der Hauptfeldspule und der Abschirmspule beeinflussen. Bei der Magnetanordnung 4 beträgt die Ausdehnung der 0,0005 T-Linie 9 in axialer Richtung +/–3,5 m und die seitliche Ausdehnung +/–2,2 m um das Zentrum der Anordnung 4. 6 shows a quadrant of the magnet assembly 4 as well as the surrounding lines 9 - 13 constant stray magnetic field strength of 0.0005 T (line 9 ), 0.001 T (line 10 ), 0.005 T (line 11 ), 0.01 T (line 12 ) and 0.1 T (line 13 ), whose small spatial extent another advantage of the magnet assembly 4 is. The detailed history of these lines 9 - 13 can be influenced by slight deviations of the radial and axial dimensions of the main field coil and the shielding coil. In the magnet arrangement 4 is the extension of the 0.0005 T-line 9 in the axial direction +/- 3.5 m and the lateral extent +/- 2.2 m around the center of the arrangement 4 ,

7 zeigt den schematischen Aufbau einer anderen Magnetanordnung 14 gemäß der Basiserfindung mit zwei radial ineinander gestellten und in derselben Richtung von Strom durchflossenen, unstrukturierten Solenoidspulen 15 und 16 als Hauptfeldspule sowie einer in umgekehrter Richtung von Strom durchflossenen, strukturierten Solenoidspule mit zwei nebeneinander angeordneten Wicklungen 17a, 17b als Abschirmspule. Die beiden Wicklungen 17a, 17b können auch als jeweils eigene, symmetrisch (bezüglich einer senkrecht zur axialen Richtung im Zentrum liegenden Spiegelebene) angeordnete, unstrukturierte Solenoidspulen aufgefasst werden. Auch hier wird eine ferromagnetische Feldformvorrichtung 18 benötigt, um insgesamt ein Magnetfeld hoher Homogenität zu erzeugen. 7 shows the schematic structure of another magnet arrangement 14 according to the basic invention, with two radially interleaved and in the same direction of current-carrying, unstructured solenoid coils 15 and 16 as a main field coil and a current flowing in the reverse direction, structured solenoid coil with two juxtaposed windings 17a . 17b as a shielding coil. The two windings 17a . 17b can also be considered as each own, unstructured solenoid coils arranged (with respect to a plane perpendicular to the axial direction in the mirror plane center) arranged. Again, a ferromagnetic field shaping device 18 needed to produce a total of a magnetic field of high homogeneity.

Ausführungsform mit zusätzlichem äußeren AbschirmkörperEmbodiment with additional outer shielding

8 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung 91 mit zwei radial ineinander gestellten und in derselben Richtung von Strom durchflossenen, unstrukturierten Solenoidspulen 15 und 16 als Hauptfeldspule 1 sowie einer in umgekehrter Richtung von dem Strom durchflossenen, strukturierten Solenoidspule mit zwei nebeneinander angeordneten Wicklungen 17a, 17b als Abschirmspule 2 sowie einem diese Anordnung axial und radial umgebenden zusätzlichen Abschirmkörper AK (schraffiert dargestellt) aus weichmagnetischem Material. Das weichmagnetische Material kann beispielsweise magnetischer Stahl sein. Der Abschirmkörper AK umfasst einen radial äußeren, zylindrischen Teil 92 sowie zwei Seitenplatten 93a und 93b (jeweils mit einer Öffnung für die Raumtemperaturbohrung 94). Dieser Abschirmkörper AK bildet hier zusammen mit dem Innenrohr 95 den äußeren Teil eines Kryostaten 96, den so genannten Vakuummantel. Weitere Einzelheiten des Kryostaten 96 sind zur Vereinfachung nicht eingezeichnet. 8th shows the schematic structure of a magnet arrangement according to the invention 91 with two radially interleaved and in the same direction of current, unstructured solenoid coils 15 and 16 as the main field coil 1 and a reverse-flow of the current through, structured solenoid coil with two juxtaposed windings 17a . 17b as a shielding coil 2 and an axial and radial surrounding this additional shielding AK (hatched) of soft magnetic material. The soft magnetic material may be, for example, magnetic steel. The shielding body AK comprises a radially outer, cylindrical part 92 as well as two side plates 93a and 93b (each with an opening for the room temperature hole 94 ). This shielding body AK forms here together with the inner tube 95 the outer part of a cryostat 96 , the so-called vacuum jacket. Further details of the cryostat 96 are not shown for the sake of simplicity.

Der Abschirmkörper AK bewirkt eine weitere Verkleinerung der Ausdehnung des magnetischen Streufeldes der Magnetanordnung 91. Der Abschirmkörper AK beeinflusst prinzipiell auch den Magnetfeldverlauf im Untersuchungsvolumen. Dieser Einfluss auf den Magnetfeldverlauf ist jedoch wegen des relativ großen Abstandes sämtlicher Teile 92, 93a, 93b des Abschirmkörpers AK vom Untersuchungsvolumen gering. Auch hier wird eine ferromagnetische Feldformvorrichtung 18 eingesetzt, welche auch den durch den Abschirmkörper AK mit beeinflussten Magnetfeldverlauf mit berücksichtigt und insgesamt ein Magnetfeld hoher Homogenität erzeugt. Die ferromagnetische Feldformvorrichtung 18 wird hier vom Abschirmkörper AK mit umschlossen.The shielding body AK causes a further reduction of the extent of the stray magnetic field of the magnet assembly 91 , In principle, the shielding body AK also influences the magnetic field profile in the examination volume. However, this influence on the magnetic field is due to the relatively large distance of all parts 92 . 93a . 93b of the shielding body AK of the examination volume low. Again, a ferromagnetic field shaping device 18 which also takes into account the magnetic field profile influenced by the shielding body AK and overall produces a magnetic field of high homogeneity. The ferromagnetic field shaping device 18 is enclosed here by the shielding body AK.

Claims (18)

Aktiv abgeschirmte, supraleitende Magnetanordnung (4; 14; 91) zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes B0 in einem Untersuchungsvolumen (4b), – mit einer rotationssymmetrisch um eine z-Achse angeordneten, radial innenliegenden, supraleitenden Hauptfeldspule (1), – mit einer koaxialen, radial außen liegenden, gegenläufig betriebenen, supraleitenden Abschirmspule (2), – und mit einer ferromagnetischen Feldformvorrichtung (3; 18), wobei die ferromagnetische Feldformvorrichtung (3; 18) radial innerhalb der Hauptfeldspule (1) angeordnet ist, wobei die Hauptfeldspule (1) aus einer unstrukturierten Solenoidspule oder aus mehreren, gleichsinnig betriebenen, radial ineinander gestellten, unstrukturierten Solenoidspulen (15, 16) besteht, wobei die Erstreckung Labs der Abschirmspule (2) in axialer Richtung kleiner ist als die Erstreckung Lhaupt der Hauptfeldspule (1) in axialer Richtung, und wobei das durch die Hauptfeldspule (1) und die Abschirmspule (2) im Betrieb erzeugte axiale Magnetfeldprofil (5) entlang der z-Achse im Zentrum (4a) ein Minimum der Feldstärke, und beidseitig des Zentrums (4a) je ein Maximum der Feldstärke aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass die Magnetanordnung (4; 14; 91) aus der Hauptfeldspule (1), der Abschirmspule (2), der ferromagnetischen Feldformvorrichtung (3; 18) und einem ferromagnetischen Abschirmkörper (AK) besteht, wobei der ferromagnetische Abschirmkörper (AK) die Hauptfeldspule (1) und die Abschirmspule (2) radial und axial umschließt, – und dass das durch die ferromagnetische Feldformvorrichtung (3; 18) und den ferromagnetischen Abschirmkörper (AK) im Betrieb erzeugte axiale Magnetfeldprofil (6) entlang der z-Achse im Zentrum (4a) ein Maximum der Feldstärke und beiderseits des Zentrums (4a) je ein Minimum der Feldstärke aufweist.Active shielded, superconducting magnet arrangement ( 4 ; 14 ; 91 ) for generating a homogeneous magnetic field B 0 in a test volume ( 4b ), - arranged with a rotationally symmetrical about a z-axis, radially inner superconducting main field coil ( 1 ), - with a coaxial, radially outer, counter-rotating, superconducting shielding coil ( 2 ), - and with a ferromagnetic field shaping device ( 3 ; 18 ), wherein the ferromagnetic field shaping device ( 3 ; 18 ) radially inside the main field coil ( 1 ), wherein the main field coil ( 1 ) from an unstructured solenoid coil or from a plurality of unidirectionally operated, radially arranged unstructured solenoid coils ( 15 . 16 ), wherein the extension L abs of the shielding coil ( 2 ) is smaller in the axial direction than the extension L main of the main field coil ( 1 ) in the axial direction, and that by the main field coil ( 1 ) and the shielding coil ( 2 ) axial magnetic field profile generated during operation ( 5 ) along the z-axis in the center ( 4a ) a minimum of the field strength, and on both sides of the center ( 4a ) each having a maximum field strength, characterized in that - the magnet arrangement ( 4 ; 14 ; 91 ) from the main field coil ( 1 ), the shielding coil ( 2 ), the ferromagnetic field shaping device ( 3 ; 18 ) and a ferromagnetic shielding body (AK), wherein the ferromagnetic shielding body (AK), the main field coil ( 1 ) and the shielding coil ( 2 ) encloses radially and axially, - and that by the ferromagnetic field shaping device ( 3 ; 18 ) and the ferromagnetic shielding body (AK) generated in operation axial magnetic field profile ( 6 ) along the z-axis in the center ( 4a ) a maximum of the field strength and on both sides of the center ( 4a ) each having a minimum of the field strength. Magnetanordnung (4; 14; 91) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmspule (2) aus einer unstrukturierten Solenoidspule besteht.Magnet arrangement ( 4 ; 14 ; 91 ) according to claim 1, characterized in that the shielding coil ( 2 ) consists of an unstructured solenoid coil. Magnetanordnung (4; 14; 91) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den axialen Abstand Lmax der Maxima der Feldstärke des durch die Hauptfeldspule (1) und die Abschirmspule (2) erzeugten Magnetfeldprofils (5) und den Innenradius Rif der Feldformvorrichtung (3) gilt: Lmax > 0,5·Rif. Magnet arrangement ( 4 ; 14 ; 91 ) according to one of the preceding claims, characterized in that for the axial distance L max of the maxima of the field strength of the field through the main field coil ( 1 ) and the shielding coil ( 2 ) generated magnetic field profile ( 5 ) and the inner radius R if of the field shaping device ( 3 ): L max > 0.5 · R if . Magnetanordnung (4; 14; 91) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldstärke Bmax der Maxima des durch die Hauptfeldspule (1) und die Abschirmspule (2) erzeugten Magnetfeldprofils (5) um zwischen 10 ppm und 10.000 ppm, vorzugsweise um zwischen 100 ppm und 5000 ppm, größer ist als die Feldstärke Bmin des zentralen Minimums dieses Magnetfeldprofils (5).Magnet arrangement ( 4 ; 14 ; 91 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the field strength B max of the maxima of the main field coil ( 1 ) and the shielding coil ( 2 ) generated magnetic field profile ( 5 ) is between 10 ppm and 10,000 ppm, preferably between 100 ppm and 5000 ppm, greater than the field strength B min of the central minimum of this magnetic field profile ( 5 ). Magnetanordnung (4; 14; 91) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptfeldspule (1) und die Abschirmspule (2) elektrisch in Serie geschaltet sind.Magnet arrangement ( 4 ; 14 ; 91 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the main field coil ( 1 ) and the shielding coil ( 2 ) are electrically connected in series. Magnetanordnung (4; 14; 91) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein supraleitender Schalter zum Kurzschluss des durch die Hauptfeldspule (1) und die Abschirmspule (2) gebildeten Stromkreises vorgesehen ist.Magnet arrangement ( 4 ; 14 ; 91 ) according to claim 6, characterized in that a superconducting switch for short-circuit of the by the main field coil ( 1 ) and the shielding coil ( 2 ) formed circuit is provided. Magnetanordnung (4; 14; 91) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: Labs ≤ 0,85 Lhaupt, und bevorzugt Labs ≤ 0,65 Lhaupt.Magnet arrangement ( 4 ; 14 ; 91 ) according to one of the preceding claims, characterized in that: L abs ≤ 0.85 L main , and preferably L abs ≤ 0.65 L main . Magnetanordnung (4; 14; 91) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (4; 14; 91) ausgelegt ist für die Erzeugung des homogenen Magnetfelds im Untersuchungsvolumen (4b) mit einer Feldstärke Bges ≥ 6 Tesla.Magnet arrangement ( 4 ; 14 ; 91 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the magnet arrangement ( 4 ; 14 ; 91 ) is designed for generating the homogeneous magnetic field in the examination volume ( 4b ) with a field strength B ges ≥ 6 Tesla. Magnetanordnung (4; 14; 91) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: Rif ≥ 80 mm, und besonders bevorzugt Rif ≥ 300 mmMagnet arrangement ( 4 ; 14 ; 91 ) according to one of the preceding claims, characterized in that: R if ≥ 80 mm, and particularly preferably R if ≥ 300 mm Magnetanordnung (4, 14; 91) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Innenradius Rihaupt der Hauptfeldspule (1) und den Innenradius Riabs der Abschirmspule (2) gilt: Riabs ≤ 2,2·Rihaupt, und bevorzugt Riabs ≤ 2,0·Rihaupt.Magnet arrangement ( 4 . 14 ; 91 ) according to one of the preceding claims, characterized in that for the inner radius R ihaupt of the main field coil ( 1 ) and the inner radius R iabs of the shielding coil ( 2 R iabs ≦ 2.2 · R i at all , and preferably R iabs ≦ 2.0 · R ihaupt . Magnetanordnung (4; 14; 91) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldformvorrichtung (3; 18) zusammen mit der Hauptfeldspule (1) und der Abschirmspule (2) innerhalb eines Kryostaten (96) angeordnet ist.Magnet arrangement ( 4 ; 14 ; 91 ) according to one of claims 1 to 10, characterized in that the field shaping device ( 3 ; 18 ) together with the main field coil ( 1 ) and the shielding coil ( 2 ) within a cryostat ( 96 ) is arranged. Magnetanordnung (4; 14; 91) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldformvorrichtung (3; 18) in einer Raumtemperaturbohrung (94) eines Kryostaten (96) angeordnet ist, in welchem die Hauptfeldspule (1) und die Abschirmspule (2) angeordnet sind.Magnet arrangement ( 4 ; 14 ; 91 ) according to one of claims 1 to 10, characterized in that the field shaping device ( 3 ; 18 ) in a room temperature bore ( 94 ) of a cryostat ( 96 ) is arranged, in which the main field coil ( 1 ) and the shielding coil ( 2 ) are arranged. Magnetanordnung (4; 14; 91) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldformvorrichtung (3; 18) teilweise in einer Raumtemperaturbohrung (94) eines Kryostaten (96) und teilweise innerhalb des Kryostaten (96) angeordnet ist, wobei im Kryostaten (96) auch die Hauptfeldspule (1) und die Abschirmspule (2) angeordnet sind.Magnet arrangement ( 4 ; 14 ; 91 ) according to one of claims 1 to 10, characterized in that the field shaping device ( 3 ; 18 ) partially in a room temperature bore ( 94 ) of a cryostat ( 96 ) and partly within the cryostat ( 96 ), wherein in the cryostat ( 96 ) also the main field coil ( 1 ) and the shielding coil ( 2 ) are arranged. Magnetanordnung (4; 14; 91) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldformvorrichtung (3; 18) zusätzlich eingerichtet ist zum Ausgleichen von Feldinhomogenitäten, die durch Fertigungstoleranzen der Hauptfeldspule (1) und/oder der Abschirmspule (2) und/oder des Abschirmkörpers (AK) entstehen.Magnet arrangement ( 4 ; 14 ; 91 ) according to claim 12 or 13, characterized in that the field shaping device ( 3 ; 18 ) is additionally adapted to compensate for field inhomogeneities caused by manufacturing tolerances of the main field coil ( 1 ) and / or the shielding coil ( 2 ) and / or the shielding (AK) arise. Magnetresonanzanordnung (4; 14; 91) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Abschirmkörper (AK) durch eine äußere Wand eines Kryostaten (96) ausgebildet ist, in welchem wenigstens die Hauptfeldspule (1) und die Abschirmspule (2) angeordnet sind.Magnetic resonance arrangement ( 4 ; 14 ; 91 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the ferromagnetic shielding body (AK) by an outer wall of a cryostat ( 96 ) is formed, in which at least the main field coil ( 1 ) and the shielding coil ( 2 ) are arranged. Magnetresonanztomograph mit einer Magnetanordnung (4, 14; 91) nach einem der Ansprüche 1 bis 15.Magnetic resonance tomograph with a magnet arrangement ( 4 . 14 ; 91 ) according to one of claims 1 to 15. Kernspinresonanzspektrometer mit einer Magnetanordnung (4; 14; 91) nach einem der Ansprüche 1 bis 15.Nuclear magnetic resonance spectrometer with a magnet arrangement ( 4 ; 14 ; 91 ) according to one of claims 1 to 15. Ionen-Zyklotron-Resonanz-Massenspektrometer mit einer Magnetanordnung (4; 14; 91) nach einem der Ansprüche 1 bis 15.Ion cyclotron resonance mass spectrometer with a magnet arrangement ( 4 ; 14 ; 91 ) according to one of claims 1 to 15.
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